今朝FETが届いたので交換作業を開始。

回路図だとソースとドレインがどっちにつながっているかわかり難いので実装状態を調べて回路図にメモ書き。ついでに写真もとってFETを取り除く前の状態を記録。



最初1000Vレンジ用の端っこの一個を除去して、ソース・ドレイン間抵抗を測定してみる。オープン状態だと踏んでいたが、予想外にも２００Ω程度で正常だった。悪い予感がしてきた。

もうひとつ故障しているはずのFETを取り除いてチェックしてみたら、これもソース・ドレイン間はゲート電圧０の状態でON状態だ。予想とまた外れている。



もう後戻りは出来ないので、清水の舞台から飛び降りる覚悟で思い切って全部除去。ひとつひとつソース・ドレイン間抵抗を測定するとすべて正常。

新調した代替FETは大きさは一緒だがパッケージが異なるためピンアサインが微妙に違う。ピンアサインに注意しながら実装の向きを決定して基板側に接続するピンだけを半田漬けしていく。

絶縁端子に接続するピンはあとでまとめて同じ端子に接続するものを一緒に半田漬けすることに。

二重三重にチェックして間違いが無いことを確認したら、絶縁端子上に半田漬け。余分なリード線をカットして終了。

と思ったら間違って一カ所ドレインのリード線を切ってしまった。慌てて半田漬けして修復。



これで症状が変わらなかったら原因は別のところにあるということに。しかしそれは考えられない。

基板を本体に戻して電源を入れてセルフテストを実行。

む#7がエラーに、またリファレンスが壊れたか？

と思ったら昨夜リファレンス電源の調整方法を試していた時にA/Dコンバーターの入力をジャンパーでGNDに落としていたせいだった。



ジャンパーを通常状態に戻してもう一度セルフテストをしたら、今までは#8で止まっていたのが#10まで進んだ。#10はOHMカレントソース関連なのでACコンバーター関連の#8,#9は通ったことになる。

単独で#8,#9をテストしてみると、確かに以前は規定より桁違いに大きなオフセット電圧が出ていたが、今度は規定ギリギリ。

実際に測定してみるとオフセットが大きいが1V,10V,100Vに関してはそれなりの値がでる。1000Vはちょっと値があっていない。今のところセルフテストを通すのが目標なので見なかったことにしておこう（´Д｀；）

入力端子を短絡してもACV電圧が０以外が表示されるのでオペアンプのオフセットが大きすぎる感じがする。そのために時々セルフテストで#9が不合格になることがある。#8もサービスマニュアルの表の値からすると最小桁がリミットを超えているので不合格になってもおかしくはないが通っている。

いずれその原因は明らかにするとして、とりあえず#10までセルフテストが進むようになったので交換は無駄ではなかった。

次ぎはいよいよOHMカレントソースを生き返らせる段階に。

あれから除去したFETをひとつひとつチェックしてみたところ、完全に壊れていたのは一個(Q7)だけだった。

それもゲート、ソース、ドレインのいずれの間も抵抗値が数百Ωと低くPN接合が解けてしまって３分岐抵抗器になってしまっている感じ。

なんだ故障していたのはたった一個だったのか、それも予想とは違う故障モードだった。

たった１個交換すれば済む話だった。

悔しいが己の故障診断力というか知識と技術力の欠如によるものであることは確か。

研鑽せねば。

ACVの1000Vレンジの値があっていないのは調整でなんとかなるらしい。

故障診断をする前に調整を実施せよとサービスマニュアルにはある。

やってみるとフロントパネルの入力端子があるプレートがネジを回すとはずれるようになっていてそこから調整用のポテンションメーターが操作できる仕組み。

ACV関連はK,L,M,Nと４つあって、それぞれレンジ毎に調整するのだが、ひとつのレンジに関して調整できても他のレンジの調整が微妙にずれるのでいたちごっこになる。

どうにか結果的にセルフテストでオフセットが許容範囲内に収まって#9が不合格になることはなくなったので一端はこれでよしとしよう。

ACVに関しては基準電圧源が無いと安定した調整ができない。

１０個あるFETのうち10VレンジでのみONになるべきQ7がショートモードで故障していたためそれ以外のレンジでもON状態となっていた。

ショートモードの故障をうっかり想定しなかったために今回全部交換してしまったが、Q7だけショートしていた場合に症状が説明できるかどうかおさらいしてみた。



除去したQ7はソースとドレイン間の抵抗値は正常なものと変わらず200Ω程度であるが、ソース・ゲート間及びドレイン・ゲート間の抵抗値が500Ωと異常に低く、PN接合の半導体特性も失われていた。

Q7は10Vレンジ以外ではゲートが-15Vにドライブされるはずなのでゲートと導通しているソース及びドレインも同様に-15Vに引っ張られることになる。それならすぐにソースかドレインの電圧を測定すればおかしいことに気づくはずだが実際にはそうではなかった。

回路を見れば一目瞭然、Q7のソースにつながっているQ10は10Vレンジ以外ではONしてグランドと導通するので、100kΩ:数百Ωの抵抗分圧によってQ7のどのピンもマイナス電位だがほとんど0Vの電圧となる。一方入力端子からの電圧は1MΩ：数百Ωで抵抗分圧されるのでほとんど無視できるぐらいに減衰されてしまう。

これで10Vレンジ以外では表示値が入力を変化させても表示が微少電圧のまま一定で変化しなかったことが説明がつく。

入力に一番近い１個のFETが過電圧が加わって故障するということは十分考えられる。あるレンジ以外のすべてのFETが壊れていることでも同じ現象は説明できたとしても、１個だけ壊れる方が一部を除いて残り全部壊れるよりも可能性で言えばはるかに高い。

どうしてそういうことに気づかなかったか。故障モードでオープンだけが頭にあったのが原因だが、トランジスタの故障モードにはショートもあることは百も承知なはず。思いこみが激しい性格が災いした。

ROMの時も同じことをやらかしているので学習効果が無いというか、経験が生かされていない、とほほ（´Д｀；）

反省反省

以前入力端子がへし折れたデジタルマルチメーターを入手した際に端子に柔らかい銅が使用されているのに気づかされた。真鍮とか丈夫なものではないのは導通抵抗とかを下げるためだろうかと思っていたが違っていた。

Agilentのサイトにあるデジタルマルチメーター関連のホワイトペーパーの中に熱電圧もしくは熱起電力という普段聞き慣れない専門用語が出てくる。

どうやら薄々知っている概念らしく、金属同士の接合面に金属の種類によって決まった電圧が発生するらしいこと。その電圧は一定の温度係数を持つことなど。

昔鍛造とかの実習でお目にかかった熱電対温度計とかもその原理を利用したものだ。あれはアルメルとクロメルの２つの合金を接合したもんで温度に比例して発生電圧が変化するので電圧計で温度が簡単に読み取れるというもの。

電子回路の配線に欠かせない銅とかも例外なく熱電圧が定まっている。金属の中でも金に続いて少ない部類である。

金よりも一桁も熱電圧が低いものに低熱起電力ハンダ（カドミウム錫）があるらしい。

高級なデジタルマルチメーターのテストリードも入力端子に使われているのと同じ低熱起電力な銅合金(ETP銅110合金）が採用されている。

確かに熱電対とかで高炉とか離れた場所にあるものの温度を測定する際にケーブルで間をつなぐことになるが、途中の接合部で熱電圧が発生するとそれが誤差となって加わってしまうことになる。しかも温度によって変化するのでやっかいだ。

精密な計測システムでは熱起電力はやっかいな問題らしい。特にリレーとかスイッチも接触面で熱起電力が発生することになる。これも対策された低熱起電力型リレーというものがあるらしい。

一般に売っているハンダとかは銅比べて高い熱起電力をもっている。すると普通にプリント基板とかは熱起電力の積算になってしまうのではないかと心配してしまう。実際には反対方向の接合面があるのでそれでキャンセルされているとも考えられる。

そうするとダイオードとかのPN接合も熱起電力があるということになる、あれは単一接合なのでダイオードの両端の電圧を測定すればなにもしなくても電圧が発生することになる。

実際にやってみた。

デジタルマルチメーターの一番小さいDCVレンジで

・テストリードの先端をショートして電圧が0Vであることを確認
・同じテストリードでダイオードの両端の電圧を測定

するとにわかには信じられないが2.7mV程の電圧が観測された。

昔、真空管のヒーターを初めて熱した時にアナログテスターでプレートとカソード間の電圧を測定してみたら電圧が発生している（熱電子効果）のを発見した時のことを思い出す。

ダイオードのPN接合部にはなにもしなくても自然に電気が発生しているのである。

ダイオードの外側に指の平で触れると体温で温度が上昇する、するとそれと共に発生する電圧も上昇した。温度計として使える。また光が当たる当たらないでも起電力に差が生じる。通常のスイッチングダイオードよりも発光ダイオードの方が大きな起電力が発生し、光による変化も顕著である。

確かにダイオードを使って温度変化を検出する製品は昔から沢山ある。精密電圧源とかも内部にヒーターによる温度制御回路があって、温度の変化はダイオードで検出している。それをパワーオペアンプでヒーターに流れる電流を制御して一定温度を保っていたりする。

熱電圧は電子回路の理解には不可欠らしい。といっても自分は電子回路理論は教わったことはないので今の今まで熱電圧とかも知らなかったぐらい。

電子回路の参考書には必ず出てくるが、どれもそういうものだということでそれを利用した理論の展開のみが論じられている。なぜそうなるかは量子力学の分野らしい。

デジタルマルチメーターを校正するのに高精度で高安定度の基準電圧源が必要だが、専用のキャリブレーターというのはオークションでも時々みかけるが希少で高額だ。古いものは精度が落ちるし、校正されていないと故障していたり規格はずれだと使い物にならない。

基準電圧源を校正するには、基準原器を使って校正された基準器と比較校正する必要がある。昔の基準原器は特殊なカドミウム電池（ウェストン電池）だったらしいが、近年では極低温度のジョセフソン接合を複数直列につないだものらしい。ジョセフソン接合にマイクロ波を照射するとその周波数で起電力が定まるというジョセフソン効果を利用して安定した基準電圧源が作ることができる。正確な周波数のマイクロ波は時間の標準原器である原子時計を基準にすれば生成できる。

P.S:
よく調べたらダイオードの両端に電圧が生じるのは光電効果によるものらしい。同じようなPN接合をもつ密閉型のトランジスタでは測定可能な電圧は発生しなかった。でも子供の頃に金属ケースで密閉されたゲルマニウムトランジスタの上部を切断し中身を見た時にテスターでベースコレクタ間の電圧を測定するとわずかに電圧が生じていた記憶がある。トランジスタが密閉された容器に閉じこめられているのは光電効果を避けるためだろう。積極的に光電効果を利用したものにフォトトランジスタがある。透明なパッケージのダイオードや発光ダイオードでは光電効果が確認できたわけである。しかしこの効果は子供でも発見できるが、なぜそうなるかについては子供は無論専門家でも説明につまる。学校の講義や実験でこういった質問は禁物である、講師にそうした質問をすると明らかな授業妨害行為になるし、最悪停学か強制退学処分を受けるかも。それでなくても周囲から虐めに合う可能性は避けられない。疑問に思ったら人に答えを求めるのではなく自分で研究しよう。学校で地球は自転していると習ってうなずくのはいいが、決して「なぜ？」と質問してはならない、万有引力のことを習っても「なぜ？」と質問してはならないのと同じように、誰も答えられないから。自分で研究するしかない。

今朝届くと思っていたオペアンプが来なかった(´д` )

若松通商からは発送のメールがあったのだが先に届いたのは発送のメールの無かったFETの方だった。先に注文してあったので先に届くのは良いのだが、後に頼んだオペアンプを忘れられていないか心配だ。

一緒に他のオペアンプも予備に注文したのでまだ揃っていないのかもしれない。

それとも小出しに注文するのでいやがられてしまったか。

OHMカレントソースの故障はU204で決定なのだが、U204(LM308AH)の出力が-16Vを超えている。これはまあ負電源が-18V単一電源で使用しているのでそれより2Vほど低いところで飽和するのはあり得る。

しかしLM308AHの入力も出力がそのままフィードバックするので入力電圧の最大定格±15Vを超えてしまう。実際超えてしまっているのだが。

LM308はもともと入力トランジスタがデリケートなスーパーβトランジスタを使っているので入力耐圧が低いと思われる。通常他のオペアンプは電源電圧と同じであるが、LM308は±15Vが上限。

同じ低入力オフセット、低ドリフトなOP07とかに交換してしまっても良いような気がする。そっちだと入力耐圧電源電圧までOKになる。

一時的に他のオペアンプに取り替えてみて復活するかどうか試してみても良いが、とりあえずオペアンプが届くの待ち。

たまたまHPの測定器の調べものをしていたら以前に紹介したいつもお世話になっている米国のアマチュア無線家のサイトのManualアーカイブの中にHP Cross Referenceなるものがあることを発見。

HP Cross Reference

以前に似たようなトランジスタ部品のHP Cross Referenceを見つけたことはあったもののこれだけ膨大な情報量のものがあるというのはまさに灯台下暗し。

HP Cross Referenceというのは、HPパーツ番号とメーカー型番の対応表である。HPの測定器にはHPがメーカーに特注したHPパーツ番号がマーキングされた電子部品が採用されていることがほとんど。交換しようにも元のメーカー型番がわからないと仕様が不明なので互換部品を探すことも不可能。そもそもなんの部品かもわからなかったり。

以前にAgilentのFind A PartページでHPパーツ番号からその交換部品の概略や在庫状況を知ることはできたものの、メーカー型番まで載っているのはまれ。むしろサービスマニュアルがあればそちらにはメーカー型式が併記されているケースが多いのでサービスマニュアルが無いとお手上げ。

このHP Cross Referenceにはかなり膨大なHPパーツ番号に対応するメーカー型番が収録されているので、大概の部品はこれで何なのかは調べがつく。まだインターネット上にデータシートとかがあるものであれば詳しい仕様がわかるし、代替品を手に入れることも可能である。

P.S

たまたまヤフオクでビンテージ級のHPのパワーメーターのケースの中身に何故かこれまた古いHPの低周波オシレータが収まったものが出品されていて、おや？と思って確認のために古いマニュアルとかを探した時に偶然見つけた。しかし、ああいうものも出品されるのね。どちらにせよ３０年も前のビンテージ級のものだけど。

若松通商にメールしたけど返答無し。

どうしようか。

このまま返事を待つか、代替え品を他から調達するか。

問題はOHMカレントソースのLM308AH。

Metal CanパッケージだがDIPタイプでも実装できないことはない。入力ピンのひとつを曲げて空中配線する必要があるが。

LM308AHは入力にスーパーβトランジスタを使用しているので入力バイアス電流が少なくてすみかつ高インピーダンスなのが特徴。逆に入力の耐圧が低いため壊れやすい。

今までの故障発見部位や故障モードを見ても、どうやら瞬間的に内部に高電圧が印可されたような感じである。

マニュアルレンジにしてあるのを忘れて高電圧の測定を行ったか、高い誘導性負荷の電圧測定を行ったかのどちらか。

いずれの場合も一部の素子が一瞬でも絶対定格オーバーになれば致命的な損傷を受けて誤動作につながる。

LM308Aと同じぐらい入力バイアス電流が少なく、高インピーダンスのオペアンプは他にもある。OP07とかもそう。しかしOP07とかは入力保護のために入力端子間に電圧制限用のダイオードが入っている。なので大きな差動電圧が生じる用途では入力間が短絡するので使えない。

OHMカレントソースでは最悪のケースで被測定対象がショートした場合とオープンの場合とで負荷が極端に違うので一時的にオペアンプの入力電圧に大きな差が生じる可能性がある。

悩ましいところである。

秋月電子にOP07系のオペアンプが置いてあるのでOP07とそのアップグレード版であるOPA177を購入。

12Vリファレンスの故障したOP07CJの代わりに暫定的に丸ピンICソケットにLM307Hを差し込んでいたので、それをやめてオーバースペックになるがOPA177を差し込む予定。

LM308Aはさすがに見回ったところどこもなし。千石にLM308Hというのが置いてあるが、これはLM308Aと比べて入力オフセット電圧が桁違いに大きいのと、温度ドリフトも桁違いに大きいので使えない。もともとLM308Hはギターのエフェクタに好んで使われていたらしい。それも最近ではOP07にとって代わられているとか。

ためしにLM308AHの代わりにDIPタイプだけどOP07を実装してみて故障が直るかどうか実験してみる予定。ただしピン互換ではないので、OP07のピン1,8はLM308AHと違ってオフセットトリマ端子なのでLM308AH用に補正コンデンサが接続されているとまずいので予めオープンにしておかないといけない。

LM308Aを更に改良したLT1008というリニアテクノロジのオペアンプがあるらしい。

末尾が８であることやデータシートにも用途がLM308Aの置き換え用と書いてある。

しかしそんなものを在庫しているのは若松通商を置いて他にあるわけでもなく..orz

性能が良いだけに値段がLM308Aの倍する。

標準電圧発生装置（いわゆるキャリブレーター）とかに採用されているらしい。